成县核桃优树坚果性状的主成分分析与综合评价

王一峰，王明霞2，蹇小勇，庞世伟，夏 泽，赵淑玲

(1.陇南师范高等专科学校农林技术学院，甘肃 成县 742500；2.甘肃省成县林业局核桃科技服务中心，甘肃 成县 742500)

核桃作为重要的油料和坚果树种，是世界重要的四大干果之一[1]，也是我国最重要的经济林树种[2]。核桃营养丰富，含有大量人体必需氨基酸、脂肪酸、维生素等营养成分，同时还具有一定的保健、美容及药用价值。

我国是核桃生产第一大国[3]，但我国核桃良种化程度较低，品种混乱，核桃生产和研究与世界发达国家存在较大差距[4]。良种选育是发展核桃产业的核心技术，是实现核桃优质高产的主要途径[5-6]，实生苗选育、引种和杂交育种是常见核桃良种选育的主要途径[7]。其中，杂交育种因核桃生育周期长导致育种期限较长，花费大；引种也因受限各种因素导致成功率较低；相比较而言，通过实生群体进行实生苗育种，能充分利用当地的种质资源，且所选品种适应性较强，是最快速、最经济和最有效的育种途径。在核桃实生苗育种中，通过筛选优树，繁殖优质种条用于生产栽培，可以缩短育种期限，提高核桃良种选育的效率，已经成为实生苗繁育的主要途径[8]。因此，探讨核桃优树的选择和评价标准，对充分利用种质资源，提高优树中选率，加快核桃良种选育进程具有重要的理论和实践意义。

目前，经济林优树的选择和评价主要是通过性状指标的测定对比和综合打分评价进行的，指标对比的方法只能以量化指标为主，对不能测量的质量指标难以涉及，而综合评分法虽然能够对各种性状指标进行综合评价，但其涉及测定指标太多，费时费工，且未能考虑指标之间的系统性和关联性。主成分分析是研究如何用少数几个综合性状指标反映众多指标主要性状的综合分析方法，综合后的新指标称为原来指标的主成分，主成分间各不相关[9-11]，这样既能减少性状指标，又能反映原来众多指标的主要信息，简化了数据结构、提高了工作效率，已被用作坚果性状的分析方法。胡安鸿等[12]利用主成分分析法从核桃5个主要经济性状中获得了2个主成分；杜洪业等[13]利用主成分分析法从核桃8个主要经济性状中获得了3个主成分，并利用主成分值对22棵核桃优树做了评价；肖良俊[14]、梁珊珊[15]、王治军[16]等在分析评价仁用杏坚果性状中用到了主成分分析法，并证实了用主成分分析法进行仁用杏坚果性状评价的可靠性。

成县地处甘肃南部，核桃栽培历史悠久，种植面积大，种质资源丰富，是甘肃的核桃主产区，为中国核桃之乡[17]，但当地核桃良种选育起步较晚、进程较慢，果农良种化意识淡化，导致大量种质资源未被充分利用，对优树的选择和评价主要靠性状指标的对比，缺少科学的选择方法和系统的评价体系。基于此，本试验采用主成分分析法对成县近几年核桃育种中选择的13棵优树坚果的主要经济性状进行分析，并结合表观性状评分，对13棵优树进行了综合评价，以期为成县核桃新品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

自2013年开始，课题组根据当地核桃种植户报优材料，组织技术人员对成县10个核桃主产乡镇的37棵优树进行性状调查并建立优树档案。通过2014—2016年连续3年的选择和观察，从中选出了13棵优树，其基本情况见表1。

表1 成县核桃优树基本情况

优树代号品种(品系)栽培地点品种(系)来源1地方品种(065)镡河乡镡河村乔坪社果农报优2地方品种白马寺课题组选育3B0803-5观光园半同胞家系选育4F090102城关镇枣沟杂交育种5福岛2号观光园引种6寒丰观光园引种7地方品种(抗冻)纸坊镇果农报优8美国819观光园引种9强特勒大路沟核桃园引种10清香观光园引种11地方品种(大果)王磨镇白家村果农报优12地方品种(乌仁)镡河乡土蒿村果农报优13香玲观光园引种

1.2 坚果数量性状指标的测定

于2016年9月核桃成熟时，在所选每株优树树冠的上、中、下不同部位随机采收100粒坚果作为供试样品，统一脱皮晾干，从各样品中随机抽取20粒作为试验样品，依据国家核桃坚果质量等级标准(GB/T 20398-2006)进行性状指标的测定。

单果重：用电子天平称量20粒坚果重量，求平均值，精确到0.001 g；三径、三径均值及果形指数：用游标卡尺分别测量20粒核桃纵径、横径、侧径，求平均值并算出三径均值，精确到0.001 cm，果形指数=纵径/(侧径+横径)×2；壳厚：将20粒坚果破壳后分别用游标卡尺测量果壳中部厚度，求平均值，精确到0.001 cm；单果仁重：将20粒坚果破壳后取仁，用电子天平称重后求平均值，精确到0.001 g；出仁率：所称取20粒果仁的重量与20粒果重量之比[18]。

1.3 坚果质量性状评分标准的确定

将不同品种(系)核桃核仁皮色按黄白(a)、浅黄(b)、黄色(c)、黄褐(d)、褐色(e)、紫色(f)分为6个色系，分别赋分6、5、4、3、2、1；根据果壳表面刻纹和刻窝的深浅和多少分别赋分。刻纹：浅、少=a，浅、多=b；刻窝：浅、少=a，深、少=b，深、多=c；利用刻纹和刻窝，运用平均值法进行外观评价：二者均为a，代表光滑A，二者为a，b或b，a代表较光滑B，其余组合代表粗糙C，分别赋分3、2、1；缝合线紧密度：很强(>300)=a，强(170～300)=b，中(130～170)=c，较弱(90～130)=d，弱(<90)=e，分别赋分5、4、3、2、1；横隔膜：膜质=a，革质=b，骨质=c，分别赋分3、2、1；核仁饱满度：饱满=a，较饱满=b，不饱满=c，分别赋分3、2、1；核仁风味：好=a，中=b，差=c，分别赋分3、2、1。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0软件对原始数据运用主成分分析法进行数据分析，计算核桃性状指标间的相关系数矩阵和各指标的特征根及相应的贡献率(总方差)，根据累积方差贡献率高于85%确定主成分个数，由各性状指标间的相关矩阵特征向量列出主成分方程，由主成分方程确定核桃优树评价的性状指标，经过计算得到各优树的主成分值[19]，根据主成分值利用Excel 2010软件作核桃优树性状指标的主成分值散点图，对供试优树进行比较和选优。

2 结果与分析

2.1 优树坚果性状指标测定及评分分析

根据国家核桃坚果质量等级标准(GB/T 20398-2006)，对13棵优树坚果表观性状进行了评分(表2)，同时测定了13棵优树的主要经济性状指标(表3)。

2.1.1坚果外观特征和缝合线紧密度

坚果果壳外观特征会影响核桃的商品价值，果壳表面比较光滑的核桃往往受到消费者的喜爱。同时，缝合线的紧密程度也决定着核桃坚果的品质，紧密的缝合线有利于防止坚果的病虫害和漂洗时的污染[20]。由表2可以看出，成县所选13棵优树中有11棵优树(1、2、3、4、6、7、9、10、11、12、13号)坚果表面光滑，有2棵优树(5、8号)坚果表面较为光滑；除了1号优树坚果缝合线较弱外，其余12棵优树坚果的缝合线都较为紧密。因此，13棵优树除了1号优树缝合线较弱，容易受到虫害和污染外，其余12棵优树的果壳外观和缝合线紧密度均符合市场要求。

表2 成县13棵核桃优树坚果表观性状评分结果

优树代号刻纹刻窝外观评价缝合线紧密度横隔膜核仁饱满度核仁皮色风味评分值1aaA(3)d(2)a(3)b(2)b(5)a(3)182aaA(3)c(3)a(3)a(3)b(5)a(3)203aaA(3)c(3)a(3)b(2)b(5)a(3)194aaA(3)c(3)a(3)b(2)b(5)a(3)195abB(2)c(3)b(2)a(3)a(6)b(2)186aaA(3)c(3)b(2)a(3)b(5)b(2)187aaA(3)c(3)a(3)a(3)b(5)a(3)208baB(2)c(3)b(2)a(3)a(6)a(3)199aaA(3)c(3)a(3)b(2)b(5)a(3)1910aaA(3)c(3)a(3)b(2)b(5)b(2)1811aaA(3)c(3)b(2)b(2)b(5)a(3)1812aaA(3)c(3)a(3)a(3)f(1)a(3)1613aaA(3)c(3)a(3)a(3)b(5)a(3)20

注：括号内数字为赋予的分值。

表3 成县13棵核桃优树坚主要经济性状测定结果

优树代号纵径(cm)横径(cm)侧径(cm)三径均值(cm)单果重(g)单果仁重(g)壳厚(cm)出仁率(%)果形指数13.7953.3603.4753.54311.8107.3590.10362.231.11124.4873.4123.2853.72816.7809.3400.14255.661.34034.4403.7203.9604.04016.4107.4100.15345.151.15643.8513.3853.7103.64912.3305.9800.13648.491.08653.5203.3603.5133.46414.9707.0100.16146.821.02464.1293.4853.7073.77415.5757.4500.15647.831.14874.0003.2153.3753.53013.4506.2400.14746.401.21483.5513.1293.1063.26211.0905.2500.15947.331.13993.3872.9753.1173.1599.7604.4800.13645.901.112103.9703.2853.1853.48011.5855.6300.14148.591.227115.7153.8303.8404.46121.46010.0650.17646.901.490123.7433.4793.7143.64515.0717.7900.14651.691.041133.9053.2453.2053.45111.255.8990.12752.431.211

2.1.2横膈膜(取仁难易程度)和核仁饱满程度

市场上的核桃产品有一部分是以核仁为商品的。因此取仁的难易和核仁饱满度是评价核桃品质的一项重要指标，消费者往往喜欢核仁饱满、易取整仁的核桃坚果。横膈膜的质地决定了取仁的难易，一般横膈膜膜质化的核桃取仁较容易，横膈膜为革质或骨质的核桃取仁较困难。本试验结果表明，1～4号、7、9、10、12号和13号优树坚果横膈膜为膜质。5、6、8号和11号优树坚果横膈膜为革质；2、5～8号、12号和13号优树核仁饱满，1、3、4、9～11号核仁较为饱满(表2)。

2.1.3核仁颜色与风味

研究表明，核仁颜色越浅，抗氧化能力越强，品质越好[21]，本研究以最新的国家核桃坚果分级标准将核仁颜色分为黄白、浅黄、黄色、黄褐色、褐色和紫色6个等级，将核仁风味分为好、中、差3个等级。经测定，除12号优树核仁颜色呈紫色外，其余优树核仁颜色都较浅；1～4号、7～9号和10～13号优树核仁风味好，其余优树核仁风味为中等(表2)。

2.1.4果 形

果形是果实外观品质的重要标志之一，消费者普遍喜欢近圆形和长圆形核桃。本试验按果型指数将核桃坚果分为近圆形(果型指数：0.90～1.10)、长圆形(果型指数：1.11～1.19)和圆柱形(果型指数1.20以上)3个等级。试验结果表明：4、5、12号优树坚果果形为近圆形；1、6、8、9号为长圆形；2、3、7、10号和11号优树坚果果形为圆柱形(表2)。

2.2 主成分分析

主成分分析是用少数几个互不相关的综合指标(主成分)来反映全部指标主要信息的一种综合分析方法[22]。利用主成分分析法进行综合性状指标分析，其关键在于各参评性状指标对总分值的实际贡献率，此贡献率是权衡参评性状指标所占比重大小的主要因素[23]。本试验中，各参评性状方差贡献率和累积方差贡献率见表4。由表4可知，前2个主成分的累积方差贡献率高达94.99%，表明这2个主成分已经代表了全部性状94.99%的综合信息，后3个主成分在样本性状分析中仅占5.01%。因此，选取前2个主成分为核桃综合性状的重要主成分。

表4 核桃5个主成分的方差贡献率及累计贡献率

主成分特征值贡献率(%)累计贡献率(%)13.14262.83662.83621.60832.15794.99330.2164.31499.30740.0330.66899.97550.0010.025100.000

注：1、2、3、4、5分别代表三径均值、单果重、单果仁重、壳厚、出仁率。

根据相关矩阵的特征向量(表5)，前2个主成分的函数表达式为：

Y1=0.52X1+0.56X2+0.49X3+0.40X4-0.14X5；

Y2=0.14X1+0.09X2+0.38X3-0.51X4+0.75X5。

由函数可以看出，在第一主成分(Y1)中，单果重(X2)是影响核桃经济性状的主要因素，其次是三径均值(X1)和单果仁重(X3)，且三者之间成显著正相关(表6)，这3个指标都与核桃的产量密切相关，可以看成是反映核桃坚果大小的综合指标；第二主成分(Y2)中，出仁率(X5)是影响核桃经济性状的主要因素，且与壳厚(X4)呈显著的负相关(表6)，可以看成是反映果壳厚度与出仁率之间关系的指标。

表5 核桃主要经济性状相关矩阵特征向量

性状主成分1主成分2X10.520.14X20.560.09X30.490.38X40.40-0.51X5-0.140.75

表6 核桃主成分相关分析

性状三径均值单果重果仁重壳厚出仁率三径均值1.000单果重0.913**1.000果仁重0.830**0.916**1.000壳厚0.4690.639**0.03311.000出仁率-0.094-0.1320.270-0.743**1.000

注：“*”表示0.05水平显著性；“**”代表0.01水平显著性。

2.3 优树综合评价

通过主成分分析，表明前2个主成分已经充分反映了核桃单果重和出仁率的综合指标，因此，根据主成分的特征值和相应特征向量，计算出了13个优树各自的主成分得分(表7)，并据此作出了主成分散点图(图1)。

由表8和图1可知，2号和12号优树的第一主成分和第二主成分值都较大，属于坚果个大果仁饱满型；3号和6号优树的第一主成分较大但第二主成分较小，属于坚果较大但果仁不饱满型；1号和13号优树坚果的第一主成分较小，但第二主成分值较大，表明这2棵优树的坚果虽然个头不大，但核仁较为饱满，相对出仁率较高；4、5、7、8、9号和10号优树的2个主成分值都较低，属于坚果个小而且果仁不饱满型。试验又结合表观性状评分结果(表2)进行综合评价(表8)，选出了综合性状比较优良的优树2、3、6、7、11、12号和13号，其中2号优树各项指标都达到了优秀，是综合性状最好的优树。13棵优树的综合性状排名依次为：2号；12号和13号；3、6和11号；1、4、5、8号和9号；10号。

表7 成县13棵优树的主成分值

优树代号第一主成分第二主成分1-1.673.1621.161.7231.53-0.574-0.71-0.1950.39-0.9260.97-0.377-0.31-0.798-1.21-1.409-2.31-1.2310-1.10-0.49114.360.00120.460.5313-1.550.54

图1 核桃13棵桃优树两个主成分值散点

表8 成县核桃13棵优树综合评价结果

评价指标中选优树号外观光滑1、2、3、4、6、7、9、10、11、12、13缝合线紧密2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13核仁饱满2、5、6、7、8、12、13核仁皮色浅1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、13风味好1、2、3、4、7、8、9、11、12、13单果重2、3、5、6、11、12出仁率高1、2、12、13果壳薄1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13综合性状优良2、3、6、7、11、12、13

3 讨论与结论

优质高产一直是核桃育种的主要目标，坚果的大小和出仁率的高低在一定程度上影响着核桃的产量；核桃坚果表面特征、破壳难易程度、核仁饱满程度、仁色及风味则决定了坚果的品质。因此，测量核桃坚果的外形指标是核桃优树选择和评价必不可少的一个环节，但测量指标较多，且各指标之间相互关联，关系复杂，各指标之间单一比较工作量较大，且容易因某一项指标的优劣造成错误的中选或落选。主成分分析法是综合众多指标后用少数综合指标代表全部指标的方法，既反映了全部指标的大部分信息，又简化了数据结构，提高了工作效率，且充分考虑各性状之间的系统性和关联性，更具有科学性，已大量应用于动植物种质资源分析和育种性状的选择[24-27]。

本试验严格按照国家标准对成县13棵优树的6对表观质量性状进行了打分评价，充分考虑了影响核桃品质的各种难以量化的指标，提高了优树选择的准确性。同时又利用主成分分析法，分析了5对核桃的主要经济性状指标，从中选出了2个主成分，简化了优树选择的程序，提高了选择效率，而且避免了性状间相关性对选择效果的影响。

试验结合2种分析方法，选出了综合性状优良的2、3、6、7、11、12号和13号优树，并根据所占优秀指标的多少对13棵优树进行了排序，综合评价结果与优树的实际表现基本一致，证明利用主成分分析法进行核桃优树评价是科学的。2号优树为成县林业局核桃科技服务中心技术人员在育种过程中选育所得地方优良品种，现已参加品种区试，综合评价结果也是最优秀的，进一步证明了利用主成分分析法结合得分评价法进行核桃优树评价方法的可靠性，这为成县今后核桃育种中优树的选择与评价提供了理论依据。但本试验统计经济性状指标较少，需要在今后的工作中加大测定指标的数量，为成县核桃优树选择和评价提供更准确的依据。